JP5223084B2 - 多層構造の抵抗層を備える不揮発性メモリセルおよびその製造方法、並びにそれを用いた抵抗可変型不揮発性メモリ装置 - Google Patents
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以下、本発明にかかる不揮発性メモリセルを完成させるに至るまでの背景として、本発明者らが独自に見出した知見について、図1〜図4に基づいて詳細に説明する。
金属層で挟まれたCoOまたはNiOの単体3層からなる酸化物層(図1(a)を参照)における状態密度を、本発明者らが提唱したCMDを用いた第1原理計算により、計算した。なお、第1原理計算とは、「相互作用する多電子系の基底状態のエネルギーは電子の密度分布により決められる」ことを示した密度汎関数理論を基にした計算手法である(P. Hohenberg and W. Kohn, Phys. Rev. 136, B864 (1964)、W. Kohn and L. J. Sham, Phys. Rev. 140, A1133 (1965)、または、藤原毅夫著「固体電子構造」朝倉書店発行第3章を参照)。また、本シミュレーションにおいて、銅電極における銅原子間の距離は、2.77Åとした。銅電極の銅原子と、酸化物層のCo原子との最短の原子間距離を2.77Åとした(図3を参照)。
先端の半導体プロセスで用いられる物質材料として、Cu、Ni、およびCoとそれら酸化物とを用いて、多層構造の抵抗層を有するメモリセルを作製した。具体的には、電極として、銅電極を用い、CoO/NiO/CoOの3層構造の酸化物層を2つの上記電極の間に配置したセルの構造(図1(b)を参照)について、第1原理計算により、各原子の状態密度を計算した。また、上記素子の構造において、銅電極における銅原子間の距離は、2.77Åとした。また、銅電極の銅原子と、酸化物層のCo原子との最短の原子間距離を2.77Åとした。さらに、酸化物層におけるCo原子とNi原子との最短の原子間距離を2.95Åとした(図3を参照)。
本実施形態にかかる不揮発性メモリセル1は、図5に示すように、電極10(第1電極)、電極20(第2電極)、および抵抗層30を備えている。上記抵抗層30は、上記電極10と電極20との両方に接しており、両電極(電極10および電極20)に挟まれた構造をしている。
抵抗層30aは、電子相関が弱い第1物質層および第2物質層と、該第1物質層および第2物質層よりも電子相関が強い第3物質層とを含む多層構造を有している。図1(b)に示すように、上記第3物質層は、上記第1物質層と第2物質層との間に配置されている。また、上記第3物質層は、異なる電圧印加値により異なる電気伝導性を有する層である。なお、「異なる電圧印加値により異なる電気伝導性を有する層」とは、該層に印加された電圧値によって、電気伝導性が異なる層ことを意味する。例えば、ある電圧を印加した場合には導電性であるが、それとは異なる電圧、具体的にはそれよりも高い電圧を印加すると、絶縁性となり、電圧の印加を停止してもその状態、すなわち絶縁性の状態が保たれる。一方、絶縁性の状態にある時に、さらに強い電圧を印加すると、再び導電性の状態となり、電圧の印加を停止してもその状態、すなわち導電性の状態が保たれる。このような特性を有する層を、異なる電圧印加値により異なる電気伝導性を有する層という。
抵抗層30bは、第1物質層と、第3物質層とからなる2層構造を有しており、上記第1物質層の電子相関は、上記第3物質層の電子相関よりも弱い。また、上記第3物質層は、上記抵抗層30aの第3物質層と同様に、異なる電圧印加値により異なる電気伝導性を有し、上記抵抗層30aの第3物質層として例示したものを同様に用いることができる。さらに、抵抗層30bの第1物質層は、上記抵抗層30aの第1物質層および第2物質層と同様のものを用いることができる。また、抵抗層30bにおける第1物質層と第3物質層との位置関係は、上記抵抗層30aにおける第1物質層と第3物質層との位置関係および第2物質層と第3物質層との位置関係のいずれであってもよい。
上記抵抗層30cは、図6に示すように、遷移金属の酸化物を含有する酸化物層33(第3物質層)を、導電性カーボンナノチューブからなる層31(第1物質層)および導電性カーボンナノチューブからなる層32(第2物質層)で挟持した構造を有する。上記導電性カーボンナノチューブとしては、単層カーボンナノチューブおよび多層カーボンナノチューブのいずれを用いてもよい。すなわち、抵抗層30として抵抗層30cを備える不揮発性メモリセル1では、遷移金属の酸化物を含有する酸化物層33と、電極10および電極20のそれぞれとが、導電性カーボンナノチューブで接続された構造である。導電性カーボンナノチューブは、金属的であり、バリスティック伝導性を示す。また、銅よりも大きい電気伝導性を有するという特性を有する。また、導電性カーボンナノチューブの先端は非常に細いため、印加電圧が低くても、その先端から電子が放出されやすい。それゆえ、電極10と導電性カーボンナノチューブからなる層31および電極20と導電性カーボンナノチューブからなる層32との間での電子移動をスムーズに行うことができる。また、導電性カーボンナノチューブからなる層31および導電性カーボンナノチューブからなる層32と酸化物層33との間の電子の注入および移動がスムーズに行えるため、抵抗層30として、抵抗層30aや抵抗層30bを備える場合よりも、より高速かつ低電圧で駆動できる。
上記抵抗層30dは、図7に示すように、導電性カーボンナノチューブからなる層31(第1物質層)と、遷移金属の酸化物を含有する酸化物層33(第3物質層)とからなる2層構造を形成している。上記導電性カーボンナノチューブからなる層31は、導電性カーボンナノチューブからなり、上記抵抗層30cの導電性カーボンナノチューブからなる層31および導電性カーボンナノチューブからなる層32と同一のものを用いることができる。また、上記酸化物層33は、上記抵抗層30cの酸化物層33と同一のものを用いることができる。また、図7において、導電性カーボンナノチューブからなる層31は、酸化物層33の下に位置しているが、上記導電性カーボンナノチューブからなる層31は、酸化物層33の上に位置していてもよい。
本発明にかかる不揮発性メモリセルは、上述したような構造を有し、電子の状態のみで制御しているため、繰り返しの書き込み・消去に対する動作の安定性・再現性に優れている。したがって、本発明にかかる不揮発性メモリセルは、抵抗可変型不揮発性メモリ装置に適用することができる。つまり、本発明には、本発明にかかる不揮発性メモリセルを用いたデバイス、例えば、抵抗可変型不揮発性メモリ装置、さらには、該抵抗可変型不揮発性メモリ装置を備えるシステムLSIのような各種装置も含まれる。ここでは、本発明にかかる不揮発性メモリセルの利用形態として、抵抗可変型不揮発性メモリ装置について説明する。
複数のトランジスタ4(スイッチング素子)がアレイ状に設けられた基板上に、金属スパッタ、またはダマシン法による銅メッキを用いた銅配線プロセス等により電極10を形成させる。次に、電極10の表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)等により平坦化する。そして、平坦化された電極10上に、抵抗層30の第1物質層、抵抗層30の第3物質層、および抵抗層30の第2物質層を順に、アトミックレイヤーデポジション(Atomic Layer Deposition;ALD)やMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)等により形成し、積層させる。そして、上記第2物質層上に、金属スパッタ、またはダマシン法による銅メッキを用いた銅配線プロセス等により電極20を形成させる。続いて、所望の微細形状の加工を行う。その際、加工方法は特に限定されるものではなく、半導体プロセスや、GMRやTMR磁気ヘッドや磁気メモリ(MRAM)などの磁性デバイス作製プロセス等で用いられる従来公知の方法を用いることができる。例えば、ステッパー等を用いたフォトリソグラフィー技術により、微細パタ−ン形成し、RIE(Reactive Ion Etching)等のエッチング法によりエッチングする。上記工程を経ることにより、MOS FETを用いたスイッチング素子上に、抵抗層30として抵抗層30aを備える不揮発性メモリセル1が集積化された抵抗可変型不揮発性メモリ装置3を製造することができる。
複数のトランジスタ4(スイッチング素子)がアレイ状に設けられた基板上に、金属スパッタ、またはダマシン法による銅メッキを用いた銅配線プロセス等により電極10を形成させる。上記電極10上に絶縁膜層に設ける。該絶縁膜層にビアホールを形成させる。該ビアホールの内部で、プラズマCVD法等により導電性カーボンナノチューブを成長させる。次に、CMP法により導電性カーボンナノチューブの先端と上記絶縁膜層とを研磨し、平坦化させる。これにより、電極10上に、導電性カーボンナノチューブからなる層(第1物質層)を形成できる。次に、該第1物質層の上に、遷移金属の単一の酸化物を含有する酸化物層(第3物質層)を形成させる。さらに、上記酸化物層の上に、絶縁膜層を設ける。該絶縁膜層にビアホールを形成させる。該ビアホールの内部で、プラズマCVD法等により導電性カーボンナノチューブを成長させる。次に、CMP法により導電性カーボンナノチューブの先端と上記絶縁膜層とを研磨し、平坦化させる。これにより、上記酸化物層の上に、導電性カーボンナノチューブからなる層(第2物質層)を形成できる。さらに、上記第2物質層上に、電極20を金属スパッタ、またはダマシン法による銅メッキを用いた銅配線プロセス等により形成させる。続いて、所望の微細形状の加工を行う。その際、加工方法は特に限定されるものではなく、半導体プロセスや、GMRやTMR磁気ヘッドや磁気メモリ(MRAM)などの磁性デバイス作製プロセス等で用いられる従来公知の方法を用いることができる。例えば、ステッパー等を用いたフォトリソグラフィー技術により、微細パタ−ン形成し、RIE(Reactive Ion Etching)等のエッチング法によりエッチングする。上記工程を経ることにより、MOS FETを用いたスイッチング素子上に、抵抗層30として抵抗層30cを備える不揮発性メモリセル1を集積化させた抵抗可変型不揮発性メモリ装置3を製造することができる(図6を参照)。
2 基板
3 抵抗可変型不揮発性メモリ装置
4 トランジスタ
10 電極(第1電極)
20 電極(第2電極)
30 抵抗層
30a 抵抗層
30b 抵抗層
30c 抵抗層
30d 抵抗層
31 導電性カーボンナノチューブからなる層(第1物質層)
32 導電性カーボンナノチューブ(第2物質層)
33 酸化物層(第3物質層)
34 ビアホール(第1のビアホール)
35 ビアホール(第2のビアホール)
36 コンタクトホール(第1のコンタクトホール)
40 埋め込み金属
41 MOSゲート
42 MOSソース
43 MOSドレイン
44 絶縁膜層
45 絶縁膜層
46 絶縁膜層
47 絶縁膜層
48 絶縁膜層
49 絶縁膜層
Claims (9)
- 第1電極と第2電極と、該第1電極と第2電極との間に配置された抵抗層と、を備え、上記抵抗層は電子相関の弱いエネルギーギャップを有する金属的な第1物質層および第2物質層と電子相関の強いエネルギーギャップを有する絶縁体的な第3物質層を含み、上記第3物質層は、上記第1物質層と第2物質層との間に配置されており、上記第1電極と前記第2電極との間に電流あるいは電圧を印加することで、前記第3物質層が金属−絶縁体転移(モット転移)を起こすことを特徴とする不揮発性メモリセル。
- 上記第1物質層および第2物質層、並びに第3物質層は、遷移金属の酸化物を含有することを特徴とする請求項1に記載の不揮発性メモリセル。
- 上記第1物質層および第2物質層はCoO、FeO、MnO、CrO、VO、TiO、TaO、およびHfOからなる群より選択される少なくとも1つの酸化物を含有することを特徴とする請求項1に記載の不揮発性メモリセル。
- 上記第3物質層はNiOまたはCuOを含有することを特徴とする請求項1に記載の不揮発性メモリセル。
- 第1電極と、第2電極と、該第1電極と第2電極との間に配置された抵抗層と、を備え、上記抵抗層電子相関の弱いエネルギーギャップを有する金属的な第1物質層および第2物質層と電子相関の強いエネルギーギャップを有する絶縁体的な第3物質層を含み、上記第3物質層は、上記第1物質層と第2物質層との間に配置されており、上記第1物質層および第2物質層は、導電性カーボンナノチューブからなり、上記第3物質層は遷移金属の酸化物を含有し、上記第1電極と第2電極との間に電流あるいは電圧を印加することで、前記第3物質層が金属−絶縁体転移(モット転移)を起こすことを特徴とする不揮発性メモリセル。
- 上記第1電極と上記第3物質層との間、および上記第3物質層と上記第2電極との間のそれぞれにはビアホールまたはコンタクトホールが形成されており、該ビアホールまたはコンタクトホールの内部で、導電性カーボンナノチューブを成長させることによって、上記第1物質層および第2物質層が形成されていることを特徴とする請求項5に記載の不揮発性メモリセル。
- 上記第3物質層はNiO、CuO、およびCoOからなる群より選択される少なくとも1つの酸化物を含有することを特徴とする請求項5または6に記載の不揮発性メモリセル。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の不揮発性メモリセルを、スイッチング素子と電気的に接続することにより構成されることを特徴とする抵抗可変型不揮発性メモリ装置。
- 第1電極上に、導電性カーボンナノチューブからなる電子相関が弱くエネルギーギャップを有する金属的な第1物質層を形成させる第1工程と、上記第1物質層上に、遷移金属の酸化物を含有する電子相関が強くエネルギーギャップを有する絶縁体的な第3物質層を形成させる第2工程と、上記第3物質層上に、導電性カーボンナノチューブからなる電子相関が弱くエネルギーギャップを有する金属的な第2物質層を形成させる第3工程とを含み、上記第1工程は、上記第1電極上に絶縁膜層に設け、該絶縁膜層に第1のビアホールまたはコンタクトホールを形成させ、該第1のビアホールまたはコンタクトホールの内部で、導電性カーボンナノチューブを成長させることによって、上記第1物質層を形成させる工程であり、上記第3工程は、上記第3物質層上に絶縁膜層を設け、該絶縁膜層に第2のビアホールまたはコンタクトホールを形成させ、該第2のビアホールまたはコンタクトホールの内部で、導電性カーボンナノチューブを成長させることによって、上記第2物質層を形成させる工程であることを特徴とする不揮発性メモリセルの製造方法。
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